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水 利 学 报

２０２３年 ２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０２ － ０２４４ － １０

寒区预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型

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肖  ，王正中 ２，３ ，吴 浪 ，崔 浩 ，杨晓松 ，葛建锐 ５
（１．江西科技师范大学 建筑工程学院，江西 南昌 ３３００１３；
２．西北农林科技大学 旱区寒区水工程安全研究中心 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 ７１２１００；
３．中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 ７３００００；
４．塔里木大学 水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 ８４３３００；
５．兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 ７３００５０）

摘要：基于 Ｗｉｎｋｌｅｒ弹性地基梁理论及有限杆单元的思想，以单块预制板为研究对象构建其挠曲线微分方程并求
解；在此基础上，考虑冻土－ 结构接触界面及预制板间填缝处的协调变形与相互作用，引入端部边界条件及板间
连续性条件，同时砂浆填缝处弯矩为零，将多块预制板联系起来，构建预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模
型。再由切向静力平衡条件导出切向控制方程并求解，最终获得衬砌板各截面法向冻胀位移与切向位移的解析表达
式。以新疆北部某梯形渠道为例，对衬砌各截面法向冻胀位移、切向位移、接触面法向应力、切向冻结力及上表面
应力进行计算。结果表明：本文模型计算的法向冻胀位移与观测值符合良好，与弹性支承法、杆系有限元法计算结
果相比更接近观测值。上表面应力估算的易开裂范围与实地调查结果基本相符，表明了模型的合理性。由于存在不
连续断面即砂浆填缝，衬砌板法向冻胀位移、接触面法向应力、截面弯矩和上表面应力均存在一定的起伏，出现正
负交替现象。顶推力作用下坡板各截面均存在切向位移，且自坡脚向坡顶非线性减小，在坡顶达到最小值。
关键词：冻土工程；预制混凝土衬砌渠道；冻胀；弹性地基梁；解析解
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ６７２ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０７０７

１ 研究背景

中国西北干旱寒冷地区水资源短缺且时空分布不均，灌区及引调水工程建设是保障这些地区农业
用水与安全饮水的生命线工程 ［１］ 。其中主要的输水设施为衬砌渠道。然而，冬季渠道的混凝土衬砌结
构极易发生冻胀破坏，严重影响工程安全和运营效益。近年来，众多学者通过试验研究、数值模拟及
解析方法对渠道冻胀破坏机理及相应防治措施进行深入探索 ［２ － ４］ 。其中解析方法以其简便、实用、物理
意义明确和易于推广等优点得到广泛关注，同时力学模型解析解也可为相关数值仿真提供参考和借鉴。
预制混凝土衬砌渠道具有良好的适应冻胀性能和融沉复位能力，同时施工、维护方便高效，局部
发生损坏也能够较快修复，在工程实践中得到广泛推广应用。王羿等 ［５］ 通过低温冻胀模型试验研究预
制板衬砌梯形渠道衬砌与渠基冻土间的相互作用机制及渠基土体水分场、温度场、变形场及衬砌位移
之间的耦合规律。申向东等 ［６］ 、肖等 ［７］ 分别从不同角度构建预制混凝土衬砌梯形渠道冻胀力学分析
的结构力学模型。但由于没有考虑冻土与结构之间、预制板与预制板之间的相互作用与协调变形，此

收稿日期：２０２２ － ０９ － ０６；网络首发日期：２０２３ － ０２ － １７
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２１６．１５１８．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划重点专项（２０１７ＹＦＣ０４０５１０３）；国家自然科学基金项目（Ｕ２００３１０８，５１６４１９０３，５１８６９０２９）；冻土工
程国家重点实验室开放基金项目（ ＳＫＬＦＳＥ２０１８０１）；江西省教育厅科学技术研究项目（ＧＪＪ１９０６２１）；江西科技师范大学
博士科研启动基金项目（ ２０１９ＢＳＱＤ１１）
作者简介：肖（ １９８７ － ），博士，讲师，主要从事冻土工程及渠道抗冻胀研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｘｍｈｄｔｓ＠ｑｑ．ｃｏｍ
通讯作者：王正中（１９６３ － ），教授，博士生导师，主要从事旱区寒区水工程安全研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｗａｎｇｚｚ０９１０＠１６３．ｃｏｍ
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